Optica del Microscopio Compuesto

Optica del Microscopio Compuesto
El
microscopio
compuesto
convencional está formado por dos
sistemas de lentes de aumento
ubicados en los extremos de un
tubo: el ocular, en el extremo
superior, cerca del ojo y el
objetivo, en el extremo inferior,
cerca del preparado. La imagen
producida por estos sistemas de
lentes es mejorada por el aparato
de iluminación y un sistema de
lentes llamado condensador,
ubicados en la parte más inferior
del microscopio.
Como el microscopio es un
instrumento de óptica, debemos
conocer algunos de los fenómenos
físicos relacionados con la luz :
a) reflexión : es el fenómeno por el
cual un rayo de luz que choca
contra una superficie lisa es
rechazado en el mismo plano. Si el
rayo choca perpendicularmente a
la superficie será rechazado en la
misma dirección en que vino : este
rayo será considerado la normal
(N). Ahora bien, cualquier rayo que
incida fuera de la normal, lo hará
en un ángulo con respecto a
aquella, este ángulo se llama
ángulo de incidencia (<i) y este
rayo será reflejado en otro ángulo
llamado ángulo de reflexión (<r),
que será igual al de incidencia. Por
tanto :
<i = <r
Prof. Iván Rebolledo
N
i
r
b) refracción : es el fenómeno por
el cual un rayo de luz que
atraviesa oblicuamente un cuerpo
transparente de distinta densidad,
sufre un cambio de dirección en su
recorrido, tanto a su entrada como
a la salida. Si llega perpendicularmente a la superficie no se
refracta, es considerado la normal
(N), es decir sigue la misma
dirección de origen a través del
medio transparente.
N’ N
i
aire
cristal
aire
r
Considerando las densidades de
los medios por los cuales pasa el
rayo, tenemos que : (a) de un medio
menos denso a otro más denso, el
rayo se acerca a la normal, es el
caso del rayo que pasa del aire al
cristal.
Microscopio óptico
(b) de un medio más denso a otro
menos denso, el rayo de aleja de la
normal, es el caso del rayo que
pasa del cristal al aire.
La refracción de un rayo está en
relación con la diferencia de
densidades de los medios por los
cuales atraviesa. Así, para dos
medios determinados, la relación
entre el seno del Ëi y el seno del
Ër es constante. Esta relación
constante se llama índice de
refracción y se expresa :
seno Ë i
n = ----------seno Ë r
Cuando el índice de refracción es
mayor, se dice que el medio es
refringente, es decir, desvía el
rayo. Algunos de los índices de
refracción determinados son :
* aire
* agua
* aceite inmersión
* vidrio
n = 1.00
n = 1.33
n = 1.51
n = 1.52
Apertura numérica (AN)
Este valor corresponde a la
capacidad de un lente objetivo de
utilizar más o menos rayos
luminosos para formar la imagen.
Este valor se encuentra inscrito en
la moldura de los lentes objetivos.
El objetivo seco de menor
aumento tiene una AN igual a
0.25, el objetivo seco de mayor
aumento tiene una AN igual a 0.65
y el objetivo de inmersión tiene AN
igual a 1.25 Este valor se calcula
por la fórmula :
AN = n * sen α
en donde n es el índice de
refracción del medio y seno α es el
ángulo limitado por los rayos más
periféricos que penetran al sistema
y el eje óptico. Ejemplo del cálculo :
el lente de inmersión tiene un
ángulo a igual a 57 º, el aceite de
inmersión utilizado posee un n
igual a 1.51, entonces :
AN = 1.51 * sen 57
AN = 1.51 * 0.838
AN = 1.253
Poder y límite de resolución
El poder de resolución (PR) es la
capacidad de un instrumento para
producir imágenes distintas de
puntos situados muy cerca uno de
otro en el objeto. Depende de la
longitud de onda (λ) de la luz
utilizada y de la apertura
numérica
(AN)
del
objetivo
utilizado.
Microscopio óptico
El límite de resolución (LR) es la
distancia mínima que debe existir
entre dos puntos para que puedan
ser discriminados como tales. Se
expresa por fórmula :
0.61 * λ
LR = --------------AN
en donde 0.61 es una constante, l
es la longitud de onda de la luz
utilizada y AN es la apertura
numérica del objetivo en uso.
El límite de resolución (LR) es la
inversa del poder de resolución, de
manera que cuanto mayor sea el
poder de resolución de un
instrumento menor será el límite
de resolución.
1
LR = ------PR
a) con luz visible (λ = 0.5 µm) :
1. objetivo menor aumento seco
0.61 * 0.5
LR = -------------- = 1.22 µm
0.25
2. objetivo mayor aumento seco
0.61 * 0.5
LR = -------------- = 0.47 µm
0.65
3. objetivo de inmersión
0.61 * 0.5
LR = -------------- = 0.24 µm
1.25
Estos resultados deducen que con
aumento menor seco puede distinguirse dos puntos nítidos que estén
separados por una distancia de
1.22 mm. Con aumento mayor seco,
a la distancia de 0.4 mm y con
aceite de inmersión a la distancia
de 0.2 mm.
b)variando lambda y aumento menor
1. con luz violeta (λ = 0.4 µm)
Como AN aparece inscrito en la
moldura de los objetivos, pueden
hacerse algunos cálculos sencillos
de LR, utilizando la fórmula
anterior, para deducir la mínima
distancia que separa a dos puntos
para
distinguir-los
como
independientes.
0.61 * 0.4
LR = -------------- = 0.97 µm
0.25
2. con luz ultravioleta (λ = 0.3 µm)
0.61 * 0.3
LR = -------------- = 0.73 µm
0.25
Microscopio óptico
c) con luz ultravioleta y objetivo de
inmersión :
lente
objetivo
0.61 * 0.3
LR = -------------- = 0.15 mm
1.25
De este modo se demuestra que
el máximo poder de resolución de
un MO es casi 0.15 mm, con lo
cual puede deducirse que para
aumentar el PR de un instrumento
o disminuir el LR, se puede :
1. disminuir lambda
2. aumentar AN
3. disponer de corpúsculos, que al
imprimirles grandes velocidades se
comporten como ondas. Este es el
caso de los electrones en el ME,
cuyos electrones tienen una
lambda igual a 0.05 Å.
Objetivos
Los lentes objetivos generalmente
están conformados por varios
lentes, algunos de ellos son
biconvexos. La formación de una
imagen producida por una lente
biconvexa se basa en que todos los
rayos emanados desde un punto, al
atravesarla, concurren al punto
donde se cortan dos de ellos. La
imagen producida por el objetivo es
invertida, aumentada y real (puede
ser recogida en una placa
fotográfica o pantalla).
objeto
imagen
Los objetivos en el MO están
formados por lentes biconvexas y
bicóncavas e incluso lentes de
distintos índices de refracción, con
la intención de corregir dos
defectos comunes en los lentes
complejos : la aberración cromática
y la aberración esférica. En
general, una aberración es una
desigual refracción que sufren los
rayos al propagarse a través de
lentes complejos.
Oculares
Los lentes oculares son cilindros
metálicos cortos que acomodan
lentes en ambos extremos. Su
finalidad es aumentar la imagen
real e invertida proporcionada por
el objetivo. Actúa como una lupa y
su imagen tiene las características
de ser derecha, aumentada y
virtual.
Microscopio óptico
Al producirse dos focos la imagen
resulta borrosa y con contornos
coloreados.
lente
ocular
violeta
rojo
imagen
objetivo
rojo
imagen
ocular
Aberración cromática
En el caso esquematizado antes
se supone que los rayos de luz
pertenecen todos a
una luz
monocromática o simple, es decir,
rayos de una misma longitud de
onda. sin embargo, la luz visible
posee varios colores, cada uno con
una longitud de onda diferente,
siendo el color rojo (760 nm) el de
mayor longitud de onda y el color
violeta (400 nm) el de menor
longitud de onda.
Ahora bien, cada rayo de luz
visible al atravesar un lente es
descompuesto en sus colores, ya
que se considera que la lente es un
conjunto de prismas. Entonces, el
rayo de mayor longitud de onda se
desvía menos y el rayo de menor
longitud de onda se desvía más.
Resultado : se forman dos puntos
focales, uno con los rayos de menor
longitud de onda (violeta) más
cerca del lente y otro con los de
mayor longitud de onda (rojo) más
lejos.
violeta
Foco 1
menor
longitud
onda
Foco 2
mayor
longitud
onda
Aberración esférica
En el caso anterior, se supone
que todos los rayos que inciden a la
superficie del lente debieran
refractarse en la misma proporción
y concentrarse en un mismo punto
detrás del lente. Sin embargo,
ocurre que los rayos que inciden
periféricamente en la lente son los
que se refractan más que aquellos
que inciden más cerca del centro de
la lente. La razón es el ángulo de
incidencia sobre la superficie de la
lente. Resultado : se forman dos
puntos focales, uno con los rayos
periféricos más cerca del lente y
otro con los rayos centrales más
lejos del lente. Esto produce una
imagen borrosa. Además, esta
aberración se acentúa al aumentar
la curvatura del lente.
Microscopio óptico
Foco 1
rayos
periféricos
Foco 2
rayos
centrales
En cuanto a la aberración
cromática, suelen utilizarse lentes
de diferentes naturalezas químicas; por ejemplo, la lente Flint
(silicato de K y Pb) es más
refringente
y de alto poder
dispersivo y la lente Crown
(silicato de K y Ca) es menos
refringente que recompone la luz
descompuesta por el lente anterior
Aumentos
Eliminación de las
aberraciones
La aberración esférica puede
eliminarse, en parte, interceptando
el paso de los rayos periféricos
cerrando el diafragma. Esta
maniobra tiene la desventaja de
reducir la luminosidad del objeto y
reducir el poder de resolución.
Para corregir esta aberración en
forma permanente, se utilizan
lentes de diferentes curvaturas, es
decir, si hay un lente biconvexo se
adiciona uno bicóncavo. Dibuje
aquí estos dos lentes juntos :
Para determinar la magnitud del
aumento de una imagen entregada
por un microscopio, debe multiplicarse el aumento del lente
ocular por el aumento del lente
objetivo. Ambos números están
inscritos en su moldura. Por
ejemplo :
Ocular
10 x
10 x
8x
6x
Objetivo
10 x
63 x
40 x
63 x
multiplique
el aumento
del ocular
POR
el aumento
del objetivo
Aumento
100 x
630 x
320 x
378 x